乳酸菌（红色）具有能够附着在果蝇胃肠道特定区域（蓝色/青色）的基因。图片来源：Ren Dodge/Carnegie Science。
由卡内基科学研究所的Will Ludington、Karina Gutiérrez-García和Kevin Aumiller领导的研究团队确定了使一种有益细菌能够在胃肠道特定区域定植的基因。他们的研究发表在《科学》杂志上，可能会彻底改变我们对肠道微生物组组成如何决定的理解，并开启微生物组工程的大门。
肠道微生物组是一个由数百到数千种微生物物种组成的生态系统，这些微生物生活在人体内，影响我们的健康、生育能力甚至寿命。这些群体可以辅助消化、调节免疫反应、帮助抵抗病原体等。
然而，整个肠道的微生物组并不是均匀分布的。就像消化系统内的各个器官在消化食物和吸收营养方面有不同的专长一样，不同的微生物群落在每个区域都有其独特的功能。
每种微生物群体成功定植于肠道不同区域取决于多种因素，如细菌的营养需求；局部pH值和溶解氧含量；与其他细菌菌株的竞争；以及在恶劣条件下的生存能力——包括胃酸、胆盐和免疫反应细胞。
“我们谈论的是一个极其复杂的相互连接的微生物社区系统，每个物种都需要到达适合其生长并为宿主健康做出贡献的地方。”Ludington解释道，他已经在卡内基研究所研究微生物组的获取和组成多年。
“研究人员一直在试图弄清楚每个细菌物种是如何被引导到正确的位置，以及如何最小化有害或次优物种的定植。”
想象一下繁忙城市机场后台的行李处理系统。行李处理系统看起来可能杂乱无章，但大多数行李最终都能到达它们应该所在的飞机。并且随着时间的推移，有纠正任何错误分类的过程。
“同样，在肠道中，有益细菌需要到达能够成功建立菌落的区域。”共同第一作者Gutiérrez-García指出。“我们致力于揭示这一过程的机制。”
成功的定植依赖于细菌细胞壁中的蛋白质——黏附素。顾名思义，它们可以粘附在体内的各种表面。但它们通常是非特异性结合，这意味着它们可以随意附着在一种组织上，也可以附着在另一种组织上。
那么共生微生物组物种是如何到达它们需要去的地方的呢？
为了揭开这个谜团，Ludington、Gutiérrez-García、Aumiller及其同事开发了一项技术，使他们能够实时观察细菌物种Lactiplantibacillus plantarum在果蝇肠道内的定植过程。研究团队还包括卡内基研究所的Ren Dodge、Benjamin Obadia、Haolong Zhu和Ru-Ching Hsia，以及约翰霍普金斯大学的Ann Deng、Sneha Agrawal和Xincheng Yuan，以及加州大学洛杉矶分校的Richard Wolff和Nandita Garud。
果蝇可能是厨房里的害虫，但在实验室里却是研究的理想对象，因为其微生物组的组成明确且数量较少。
高分辨率的观察使科学家们能够区分短暂定植和长期成功定植。
“开发这种成像技术是一项令人兴奋的挑战。”关键贡献者Dodge说道。“它使我们能够以前所未有的细节看到单个细菌细胞与宿主肠道的相互作用。”
他们发现，从野生果蝇肠道中分离出的L. plantarum能够稳定附着在宿主组织上，而来自人类和其他来源的L. plantarum只能形成短暂的附着。
有了这些信息，研究人员开始确定这种超强亲和力的遗传基础。通过细致而艰苦的工作，他们能够识别出一组用于特定生态位共生定植的基因。
“通过识别使L. plantarum能够定植于特定生态位的基因，我们现在对如何提高其他细菌的精确度有了深入了解。”共同第一作者Aumiller说。“这为创造针对人类肠道特定生态位优化的益生菌打开了大门。”
“展望未来，我们将尝试阐明这种特异性结合的机制。”Ludington总结道。
更多信息：Karina Gutiérrez-García等人，《科学》（2024）。DOI: 10.1126/science.adp7748
期刊信息：《科学》
提供方：卡内基科学研究所
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